DE2658525A1 - Transversalfilter - Google Patents

Description

SIEMEtIS AKTIEIIGESEIiLSCHA-PT Unser Zeichen

Berlin und München % 76 P 7 1 7 2 BRD

Transversalfilter

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Transversalfilter mit einer Ladungsverschiebevorrichtung, bei der auf einer Oberfläche eines Substrats aus dotiertem Halbleitermaterial eine Reihe von Kondensatorelementen, jedes bestehend aus zumindest einem Isolierschichtkondensator und/oder Sperrschichtkondensator, vorhanden ist, zu deren Betrieb an die äußeren Elektroden eines jeden Kondensatorelementes je eine von einer Anzahl von mindestens zwei gegeneinander phasenverschobenen Verschiebeimpulsfolgen anlegbar sind, die einen seriellen Eingang, an den das zu filternde Signal anlegbar ist, aufweist, die bei Kondensatorölementen, die für eine ausgewählte der Verschiebeimpulsfolgen bestimmt'sind, rückwirkungsfreie verstärkende Ausgänge, die mit einem Filterausgang, an dem das gefilterte Signal entnehmbar ist, verbunden sind, aufweist, wobei der Verstärkungsfaktor eines jeden dieser Ausgänge je einem zugeordneten Wert der Impulsantwort der Filterfunktion, die durch das Filter realisiert ist, entspricht.

Transversalfilter der eingangs genannten Art sind bekannt (IEEE Journal of Solid-state Circuits, Vol. SC-8, Nr. 2, April 1973, S. 138 bis 146 und Bell-Northern Research 11.4» S. 240 bis 243). Als Ladungsverschiebevorrichtungen sind ladungsgekoppelte Verschiebevorricbtungen oder Eimer-Ed 17 sti/21.12.76809826/0277 *

kettenschaltungen verwendet. Zur Verwirklichung der rückwirkungsfreien verstärkenden Ausgänge können einerseits die sog."Split-Electrode"-Methode oder andererseits echte Verstärker mit hochohmigen Eingangswiderstanden verwendet v/erden. Bei der "Split-Electrode"-Methode besteht jedes betreffende Kondensatorelement aus zwei nebeneinander angeordneten und über ein dotiertes Gebiet in Substrat gekoppelten Isolierschichtkondensatoren. Das Kapazitätsverhältnis dieser beiden Isolierschichtkondensatoren wird in Abhängigkeit vom gewünschten Verstärkungsfaktor gewählt. Die rückwirkungsfreien, verstärkenden Ausgänge sind nur bei bestimmten Kondensatorelementen vorhanden, und zwar nur bei solchen, die für ein und dieselbe bestimmte Verschiebeimpulsfolge bestimmt sind. Alle rückwirkungsfreien verstärkenden Ausgänge sind mit einem Filterausgang, an dem das gefilterte Signal entnehtnbar ist, verbunden. Der Verstärkungsfaktor eines jeden rückwirkungsfreien verstärkenden Ausgangs entspricht je einem zugeordneten Wert der Impulsantwort der Filterfunktion, die durch das Filter realisiert werden soll.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Transversalfilter der eingangs genannten Art anzugeben, durch welches im Vergleich zu einem entsprechenden Transversalfilter herkömmlicher Art, welches dieselbe Filterfunktion realiäert, mehr unterschiedliche Filtereigenschaften realisierbar sind.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei zumindest einem der übrigen Kondensatorelemente zumindest ein rückwirkungsfreier verstärkender Ausgang, der mit einem Filterausgang verbunden ist, vorhanden ist. Vorzugsweise entspricht der Verstärkungsfaktor dieses Ausgangs ebenfalls einem zugeordneten Wert der Impulsantwort der Filterfunktioii.

Wesentliche Vorteile der Erfindung sind folgende: " Es lassen sich bei Vorgabe einer beliebigen Filterfunktion gegenüber entsprechenden Transversalfiltern herkömmlicher Art einerseits der 'Flächenbedarf gegenüber letzteren erheblich vermindern, andererseits bei gleicher Fläche die Wiedergabe-

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genauigkeit der Filterfunktion durch zusätzliche rückwirkungsfreie verstärkende Ausgänge erheblich erhöhen. Außerdem lassen sich lediglich durch Änderung der Verschiebetaktfrequenzen während des Betriebes zusätzlich unterschiedliche Filtereigenschaften erreichen.

Die Erfindung wird in zwei Ausführungsbeispielen anhand der Figuren und der nun folgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen

Figur 1 in schematischer Darstellung ein herkömmliches Transversalfilter I im Vergleich zu den beiden ebenfalls schematisch dargestellten Ausführungsbeispieleg. II und III der Erfindung.

Figur 2 in einem Diagramm IV Verschiebetakte über die Zeit t und darunter in einem Diagramm V den zeitlichen Verlauf eines willkürlich gewählten zu filternden Signals,

die Figuren 3 bis 7 jeweils ein matrixförm^s Schema und die Figur 8 in zwei Diagrammen VI und VII über die Zeit t die Ausgangssignale eines herkömmlichen Transversalfilters im Vergleich zum Ausgangssignal eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.

In der Figur 1 ist das herkömmliche Transversalfilter mit I bezeichnet. Die Ladungsverschiebevorrichtung ist mit dem Bezugzeichen 10 versehen und durch eine ladungsgekoppelte Verschiebevorrichtung für Zwei-Phasen-Betrieb realisiert. Letzteres bedeutet, daß jedes Element dieser ladungsgekoppelten Verschiebevorrichtung aus zwei benachbarten Kondensatorelementen besteht. Diese Elemente sind einzeln mit den Bezugszeichen 1 bis 4 versehen. Die Kondensatorelemente selbst sind einzeln mit den Bezugszeichen 11, 12, 21, 22, 31, 32, 41 und 42 versehen. Die Kondensatorelemente 11, 21, 31 und 41 sind für die eine und die übrigen Kondensatorelemente für die andere der beiden gegeneinander phasenverschobenen Verschiebeimpulsfolgen bestimmt. Der serielle Eingang der Verschiebevorrichtung ist symbolisch dargestellt und mit E bezeichnet. Bei jedem der Kondensatorelemente, die für die eine Verschiebeimpulsfolge bestimmt sind ist je ein rückwirkungsfreier ver-

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stärkender Ausgang K₁₁, K_?1, K,,. und K^₁ vorhanden. Alle Ausgänge sind mit einem Filterausgang A verbunden. In der Figur 1 I sind die Ausgänge bei den Kondensatorelementen 11, 21, 31 und 41 vorhanden. Anstatt an diesen Kondensatorelementen könnten solche Ausgänge jedoch ebenso gut bei den Kondensatorelementen 12, 22, 32 und 42 vorhanden sein. Die Symbole K₁₁, Kp₁ K₅₁ und K^₁ sollen zugleich die Verstärkungsfaktoren der betreffenden rückwirküngsfreien verstärkenden Ausgänge repräsentieren. Die ladungsgekoppelte Verschiebevorrichtung 10 kann allgemein eine Verschiebevorrichtung für n-Phasen-Betrieb sein, wobei η = 3, 4, 5 ... ist. Jedes Element der Verschiebevorrichtung enthält dann η -benachbarte Kondensatorelemente und es sind zum Betrieb η gegeneinander phasenverschobene Verschiebeimpulsfolgen anzulegen. Als Ladungsverschiebevorrichtung kann auch eine Eimerkettenschaltung dienen. Für die rückwirkungsfreien verstärkenden Ausgänge ist jede Realisierungsmöglichkeit geeignet.

Bei den Ausführungsbeispielen II und III in Figur 1 ist nun bei jedem Kondensatorelement der Ladungsverschiebevorrichtung ein rückwirkungsfreier verstärkender Ausgang vorhanden, die jeder mit einem gemeinsamen Filterausgang A verbunden sind. Es sind in beiden Ausführungsbeispielen dieselben rückwirkungsfreien verstärkenden Ausgänge K₁₁, K₃₁, K₃₁ und K^₁ wie in I verwendet. Bei Filter II sind wie bei I nur diese Ausgänge verwendet. Der Vergleich von II mit I zeigt, daß bei II nur noch vier Kondensatorelemente 11, 12, 21 und 22 erforderlich sind. Alles übrige bleibt gleich. Man hat also bei II eine Flächenersparnis gegenüber I um etwa 50 %. Bei Verwendung von Ladungsverschiebevorrichtung für den n-Phasen-Betrieb (n = 3, 4, 5 ...) ist der Flächenbedarf von II gegenüber I um den Faktor 1/n νerringerbar.

Das Filter III unterscheidet sich von Filter I dadurch, daß bei den Kondensatorelementen 12, 22, 32 und 42 zusätzliche rückwirkungsfreie verstärkende Ausgänge K₁₂» ^K22» ^K32 ^unä K₄₂ vorhanden sind, die mit dem Filterausgang A verbunden sind. Es sind also bei IiI doppelt so viele rückwirkungsfreie verstärkende Ausgänge vorhanden, wie bei Filter I.

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Bei Verwendung einer Ladungsverschiebevorrichtung für n-Phasen-Betrieb (n = 3, 4, 5 ...) können bei einem Filter III bis zu η mal soviele Ausgänge vorhanden sein, wie bei Filter I.

Von wesentlicher Bedeutung ist nun, wie die Taktfrequenz des Verschiebetaktes für die ladungsverschiebevorrichtung der Filter II und III gewählt wird. Zwei Fälle sind dabei besonders bedeutsam: Einmal wird die Taktfrequenz vergleichsweise wie die Taktfrequenz f_Q für das Filter I gewählt, wodurch die Ausgangsfrequenz mit der das am Filterausgang A ankommende gefilterte Signal abgegeben wird, verdoppelt wird (bei Verwendung einer ladungsverschiebevorrichtung für n-Phasen-Betrieb kann sie ver-n-facht werden) oder es wird die Taktfrequenz des Verschiebetaktes gleich f_Q/2 (allgemein f_Q/n) gewählt, wodurch die Ausgangsfrequenz, mit der das gefilterte Signal am Ausgang A ankommt, gleich f_Q ist. Die Ausgangsfrequenz am Ausgang A ist in jedem Fall doppelt so hoch (allgemein η mal so hoch) als die Abtastfrequenz, mit der das zu filternde Signal am Eingang E abgetastet wird.

Es lassen sich somit für die Filter II und III in Figur 1 insgesamt vier solche Fälle unterscheiden. Bezeichnet man die Taktfrequenz des Verschiebetaktes für das Filter I in Figur 1 wie oben mit f_Q, die für Filter II mit ΐ_χΐ, die für Filter III mit fjtj» so lassen sich diese Fälle folgendermaßen unterscheiden: fjy = f_Q, f-rj-r = f₀» ^fri ⁼ ^0^^{n 1}^¹⁰ fj-j-j = £qM· Im speziellen Fall der Ausführungsbeispiele ist η = 2. Unter dem Verschiebetakt ist der Takt zu verstehen, mit der eine Informationsladung von Element zu Element der ladungsverschiebevorrichtung weitergeschoben wird.

Zur weiteren Erläuterung dient die Figur 2, die zwei Diagramme IV und V zeigt. Im Diagramm IV ist über die Zeit t schematisch die Taktfolge des Verschiebetaktes für die ladungsverschiebevorrichtung 10 scheraatisch durch Striche dargestellt. Die Taktdauer ist mit T_Q bezeichnet. Darunter ist im Diagramm V

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ebenfalls über die Zeit t eine willkürlich ausgewählte Form eines zu filternden Signals dargestellt. Für die Taktfrequenz des Verschiebetaktes gilt f_Q = V^q. Das zu filternde Signal wird bei Filter I mit der Taktfrequenz f_Q abgetastet. Die abgetasteten Signalwerte sind mit S-j-j,- S₂^ _SS,^ und S.^ bezeichnet. Würde das Filter I mit der Taktfrequenz 2f_Q betrieben, so würden zusätzliche Signalwerte abgetastet werden. Diese zusätzlichen Signalwerte sind in der Figur 2 ebenfalls eingetragen und mit S^p» ^₂₂, S~₂ und S«₂ bezeichnet. Diese zusätzlichen Signalwerte sind jedoch für das folgende ohne Bedeutung.

Im Filter I sind die Kondensatorelemente mit zweistelligen Bezugsziffern xy versehen. Dabei bedeutet χ die laufende Nummer des Elementes der Ladungsverschiebevorrichtung, wobei zum Eingang E hin gezählt wird, y bedeutet die laufende Kummer des Kondensatorelementes in einem Element, wobei ebenfalls zum Eingang E hin gezählt wird (in der Ladungsverschiebevorrichtung 10 durchläuft y die Zahlen 1 und 2, während es allgemein die Zahlen 1 bis η durchläuft). In entsprechender Weise sind in Filter I die rückwirkungsfreien verstärkenden Ausgänge mit K bezeichnet. Danach ist beispielsweise der Ausgang K₂-] derjenige, der bei Kondensatorelement 21 vorhanden ist. ■

Es lassen sich nun die mit den Verstärkungsfaktoren bewerteten Signalwerte generell in der Form It. . s darstellen. Die Bedeutung von xy ist bereits angegeben, u ist der laufende Index der Abtastzeitpunkte t.., t« usw. (siehe Figur 2), während ν eine Zahl von 1 bis η ist, und zusätzlich Abtastzeitpunkte zwischen t_u und t_u+1 angibt, wenn Filter I mit einer Taktfrequenz η . f_Q betrieben würde. Für das folgende ist nur der Fall η = 1 von Bedeutung.

In den Figuren 3 bis 7 ist je ein matrixförmiges Schema der bewerteten Signale K. .s_uv dargestellt. In jedem Schema sind nur die Spalten mit ν = 1 von Bedeutung. Die Spalten mit ν = könnten weggelassen sein. In jedem Schema sind nun die für das Ausgangssignal relevanten bewerteten Signalwerte K. ^suv mit

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je einem Kreis umgeben. Bestimmte Kreise sind durch Striche miteinander verbunden. Dies bedeutet, daß die Werte

in diesen mit Strichen verbundenen Kreisen zur Bildung des Ausgangssignals summiert werden müssen.

Das in Figur 3 gezeigte Schema bezieht sich auf das Filter I in Figur 1. Es sei angenommen, daß der zum Zeitpunkt t.. eingelesene Signalwert S^ das Kondensatorelement 11 in der Ladungsverschiebevorrichtung erreicht hat. Im KondensatoreIement 21 befindet sich dann der Signalwert Sp.., im Kondensatorelement 31 der Wert S.,.. und im Kondensatorelement 41 der Signalwert S.>. Diese Signalwerte werden parallel aus der Ladungsverschiebevorricbtung ausgelesen und am Filterausgang A erhält man die Summe aus den Werten K^.s^, Kp-j.Sp-j» K,^.s,^ und K.... s. j>. Im Schema ist jeder dieser bewerteten Signalwerte durch einen Kreis umgeben und die Kreise sind durch Striche miteinander verbunden, was bedeutet, daß diese bewerteten Signalwerte für die Signalbildung zu summieren sind. Beim nächsten Takt werden alle diese Signalwerte um ein Kondensatorelement nach links verschoben, wodurch sich im Kondensatorelement 11 jetzt der Signalwert Sp-j und im Kondensatorelement 41 ein neu hinzugekommener Signalwert S,-* befindet. Selbstverständlich muß die Ladungsverschiebevorrichtung nach dem Kondensatorelement eine Ausgangsstufe aufweisen, damit jeder darin befindliche Signalwert beim nächsten Takt ausgelesen werden kann. Dies gilt auch für die Ausführungsbeispiele II und III. Als Ausgangsstufe ist beispielsweise eine Elektrode mit implantierter Barriere geeignet. Die Signalwerte Sp-j, S,^, S. ^ und Sr. werden wieder parallel ausgelesen und am Filterausgang A steht die Summe aus K^-j.Sp-j» Kp-pS^.., K^-J.s. .| und K.ι.Sc₁ zur Verfügung. Diese Summe ist im Schema nach Figur 3 wieder gekennzeichnet. Durch sinngemäße Fortsetzung des Schemas lassen sich nun alle Signalwerte des gefilterten Signals auf einfache Weise ermitteln. Im Schema nach Figur 3 sind die ersten drei Signalwerte des gefilterten Signals mit A.,, Ap und A, bezeichnet. Für die Ausgangsfrequenz

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f., mit der das gefilterte Signal entnommen wird, gilt ^fA = ^fO·

Das in Figur 4 dargestellte Schema gilt für Filter II, und zwar für den Fall, daß fy-j. = f_Q gewählt ist. Ist der zum Zeitpunkt t.. am Eingang E eingegebene Signalwert S₁₁ Ms zum Kondensatorelement 11 durchgeschoben, so befindet sich im Kondensatorelement 31 der Signalwert S₂₁. Beide Signalwerte werden parallel ausgelesen und am Filterausgang A steht der Wert A.. = K₁₁-S₁₁ + K^₁. S₂₁ des gefilterten Signals zur Verfugung. Diese Signalwerte werden nach der halben Taktzeit um ein Kondensatorelement nach links verschoben, wodurch sich im·Kondensatorelement 12 der Signalwert S₂₁ und im Kondensatorelement 22 ein neu eingelesener Signalwert S₃₁ befinden. Beide Signalwerte werden zu diesem Zeitpunkt ausgelesen und am Filterausgang A erhält man den Wert A₂ = K₂₁ .S₂₁H-K^₁ .S^₁ des gefilterten Signals. Diese beiden Signalwerte werden zur vollen Taktzeit wieder um ein Kondensatorelement nach links verschoben und man erhält zu diesem Zeitpunkt am Ausgang A den Wert A^ «- K^.Sp-j + K^₁.S^₁ des gefilterten Signals usw.. Für die Ausgangsfrequenz f^ gilt hier f^ = 2f_Q, während für die Abtastfrequenz f™ , mit der das zu filternde Signal abgetastet wird, f-g = f_Q gilt.

Das in Figur 5 angegebene Schema gilt ebenfalls für Filter II jedoch jetzt für den Fall, daß f^ = f_Q/2 gewählt ist. Ist der zum Zeitpunkt t^ am Eingang E eingegebene Signalwert S^₁ bis zum Kondensatorelement 11 durchgeschoben, so befindet sich jetzt im Kondensatorelement 31 der Wert S₃₁, da jetzt erst nach jedem zweiten Zeitpunkt abgetastet wird. Am Filterausgang A erhält man zu diesem Zeitpunkt den Wert A₁ = K₁^s₁₁ + K^₁.S^₁ des gefilterten Signals. Fach der Zeit T_Q = 1/f_Q hat eine Verschiebung um ein Kondensatorelement nach links stattgefunden, wodurch zu diesem Zeitpunkt am Ausgang A der Wert A₂ = K₂₁.s,.j + K^₁.Sg₁ anliegt. Für die Ausgangsfrequenz f_A gilt jetzt f_A = f_Q, während für die Abtastfrequenz f_E = £q/2 gilt.

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Das in Figur 6 dargestellte Schema gilt für Filter III für den Fall f-rxj = ^₀* ^Die BiI¹³¹¹¹¹S äer Signalwerte des Ausgangssignals ist für die ersten drei Signalwerte A^, Ap und A^, aus dem Schema zu entnehmen. Die folgenden Signalwerte sind durch sinngemäße Fortsetzung des Schemas leicht zu ermitteln. Es gilt hier f_A = 2f_Q und f_E = f_Q.

Das in Figur 7 dargestellte Schema gilt ebenfalls für Filter III, jedoch jetzt für den Fall f-j-j-r = £q/2· Wiederum ist die Bildung der ersten drei Signalwerte A-., Ap und A-, aus dem Schema zu entnehmen. Durch sinngemäße Fortsetzung des Schemas lassen sich leicht alle folgenden Signalwerte des gefilterten Signals ermitteln. Für diesen Fall gilt f_A = f_Q und f_E = f_Q/2.

In der Figur 8 ist im Diagramm YI ein Beispiel für ein gefiltertes Signal, wie es am Filterausgang A des Filters I in Figur "beim Betrieb mit der Taktfrequenz £~ entnommen wird, angegeben. Im Diagramm VII ist zum Yergleich das Ausgangssignal am Filterausgang A des Filters III in Figur 1 für dasselbe Eingangssignal dargestellt, wobei dieses Filter dabei mit der !Taktfrequenz f-r-r-r = f_Q betrieben wird. Deutlich erkennt man, daß man mit Filter III gegenüber Filter I eine Gläftung des gefilterten Signals erreicht. Die Information erscheint mit der doppelten (η-fachen) Frequenz, Dieses gefilterte Signal enthält an und für sich nicht mehr Information als das Ausgangssignal des Filters I, es wird lediglich in einer günstigeren Form dargestellt, so daß die weitere Verarbeitung vereinfacht ist. Eine Glättung mit einem RC-Glied kann somit ausreichend sein, um das Signal im Basisband darstellen zu können, d.h. die im Abtastsignal enthaltenen höheren Frequenzanteile zu eliminieren.

Bei beiden Ausführungsbeispielen sind alle Kondensatorelemente mit rückwirkungsfreien parallelen Ausgängen versehen. Es sei darauf hingewiesen, daß dies nicht der Fall sein muß. Um für Filter I neue Filtereigenschaften zu erreichen, genügt es bereits, wenn zumindest eines der übrigen Kondensatorelemente einen rückwirkungsfreien verstärkenden Ausgang aufweist.

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In vielen Ausführungsformen, vd.e auch bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen entspricht der Verstärkungsfaktor dieses Ausgangs einem zugeordneten Wert der Impulsantwort der Pilterfunktion.

2 Patentansprüche
8 Figuren

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Leer se ite

Claims (2)

Patentansprüche

1. !Transversalfilter mit einer Ladungsverschiebevorrichtung, -r / bei der auf einer Oberfläche eines Substrats aus dotierten Halbleitermaterial eine Reihe von Koiidensatorelementen, jedes bestehend aus zumindest einem Is.olierschichtkondensator und/oder Sperrschichtkondensator, vorbanden ist', zu deren Betrieb an die äußeren Elektroden eines jeden Kondensatorelementes je eine von einer Anzahl von·mindestens zwei gegeneinander phasenverschobenen Verschiebeimpulsfolgen anlegbar sind, die einen seriellen Eingang, an den das zu filternde Signal anlegbar ist, aufweist, die bei Kondensatorelementen, die für eine ausgewählte der Verschiebeirapulsfolgen bestimmt sind, rückwirkungsfreie verstärkende Ausgänge, die mit einem Filterausgang, an dem das gefilterte Signal entnehmbar ist, verbunden sind, aufweist, wobei der Verstärkungsfaktor eines jeden dieser Ausgänge je einem zugeordneten Wert der Impulsantwort der Filterfunktion, die durch das Filter realisiert ist, entspricht, dadurch gekennzeichnet , daß bei zumindest einem der übrigen Kondensatorelemente zumindest ein rückwirkungsfreier verstärkender Ausgang, der mit dem Filterausgang verbunden ist, vorhanden ist.

2. Transversalfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Verstärkungsfaktor dieses Ausgangs ebenfalls einem zugeordneten Wert der Impulsantwort der Filterfunktion entspricht.

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